purificación de biogás basicos, tecnologías, ejemplos · 4,5 y 6 de mayo - concepción / chile....
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Purificación de biogásBasicos, tecnologías, ejemplos
Ingenieurbüro für Entwicklung und Anwendung umweltfreundlicher Technik GmbH
Dipl.-Ing. Christoph Zimmermann
Cuxhavener Straße 10D - 28 217 Bremen
Alemania
fon: 0049 - 421 - 38 678 - 30fax: 0049 - 421 - 38 678 - 88
Congreso LatinoamericanoBioRefinerías
4,5 y 6 de mayo - Concepción / Chile
2BioRef 09
Quién somos
UTEC GmbH es una empresa de Ingeniería indepediente
dedicada desde 1980 al planeamiento, construcción, operación y monitoreode proyectos energéticos a base de Fuentes Naturales Renovables.
Los campos específicos desarrollados por UTEC GmbH son:
Gestión energética industrial y comunal
Energía Eólica
Biogás
Biomasa
Plantas de Compostaje
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UTEC y Biogás
• Análisis de laboratorio• Diseño• Planificación • Construcción• Monitoreo
AlemaniaChileIndonesiaotros países
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Producción de biogás
Composición de biogás
Etapas de purificación de biogás
Tecnologías de eliminación de CO2
Tratamiento final
Aspectos económicos
Ejemplos de projectos
Contenido
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Producción de biogás
• Plantas pequeñasMillones en India, China.Biodigestor de 1 hasta 4 m³; Cocinar y alumbrado
• Plantas industriales agrícolasBiodigestores de 100 hasta 10.000 m³Cogeneración, 20 kWel hasta 2 MWel
• Plantas industriales tratadadora de desechosBiodigestores de 1.000 hasta 10.000 m³Cogeneración, 100 kWel hasta 6 MWel
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Substratos
Desechos orgánicos de animales(purines de cerdo, vacunos, guano de ave, etc)
Plantas energéticas(plantas oleaginosas como maíz, cereales, colza, girasol)
Desechos orgánicos domiciliarios y comunales
Desechos orgánicos de la agroindustria
Lodos residuales provenientes de plantas de tratamiento de aguasservidas(Industriales y comunales)
Composición de biogás depiende de substratos !!
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Relación CH4 – CO2 de biogás
Composición del biogás en dependencíade la oxidación del carbono
+4
+2
0
-2
-4
Nivel medio de oxidación del C
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
CH4
CO2[Vol.-%]
Ácido oxálico
Ácido fórmico
Ácido cítrico
Hidratos de carbono, Ácido acético
Ácido propiónico
MetanolGrasas
Ácido butíricoProteina
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Componentes tipicos de biogás
• Disminuye valor calórico y comportamiento de encendido.0 - 5 Vol.-%N2
• Obstruye inyectores> 5 µmPartículas depolvo
• Corroción en grupos y tuberías• Condensador daña instrumentos y grupos electrógenos• En heladas peligro de congelamiento de tuberías e inyectores
1 - 5 Vol.-%Vapor de agua
• Disminuye la capacidad de encendido• NOx-Emisiones
0 - 500 ppmVNH3
• Corroción en grupos electrógenos y tuberías• Emisiones de SO2 previo ajuste• Tóxico para los catalizadores
0 - 5.000 ppmV
H2S
• Valor y respuesta de combustión disminuidos• Favorece la corroción
25 - 50 Vol.-%CO2
• Componente combustible del biogás50 - 75 Vol.-%CH4
EfectoContenidoComponente
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Datos energéticos de gases
12 - 1413 – 1512 - 155,0 – 8,5--Índice Wobbe
9,5
4,4-16,6
0,47
650
0,55
0,72
10
Metano
23,9
1,7-10,9
0,42
470
1,51
2,01
26
PropanoGas naturalBiogás
9,55,7m³/m³Demanda aire
4,4-156 – 12Vol%Margen de explosión
0,390,25m/sVelocidad de lumbra en aire
650700°CTemperatura de ignición
0,540,90--Respecto densidad / aire
0,71,20Kg/m³Densidad
106kWh/m³Valor calorífico
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Purificación
Biometano (CH4)
Dióxido de carbono (CO2)Vapor de agua (H2O)
Ácido sulfhídrico (H2S)Amoniaco (NH3)
Bio
gás
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Etapas de purificación de biogásBiogás crudo
Desulfurización
Compresión
Eliminación de CO2
Calibración
Condensación
Secado
Odorización
H2O
CO2
Biometano
Gas adicional
Sulfur
AireLPG
Eliminación otros
H2O
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Desulfurización de biogás
• Desulfurización por injeción de aire en el digestor
• Depuración biológica
• Adsorción con masa ferrosa
• Adsorción con carbon avtivado
• Precipitación con sal ferrosa
H2S + ½ O2 → S + H2O
H2S + 2 O2 → H2SO4
2 Fe(OH)3 + 3 H2S → 2 FeS + S + 6 H2O
Fe2+ - Ionen como sals ferrosas o unasolución directamente en el digestor
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Eliminacion de otros particulas
Otros substancias:
• Siloxanos
• Amoniaco
• Compuestos aromaticos como Benzol; Toluol, Ethylbenzol, Xylol, Cumol
• Hidrocarburos polyciclicos, aromaticos (PAK)
• Halogenos como Cloro, Fluor, Mercaptanos
• Substancias microbiologicas
Tecnologías:
• Carbon activado
• depuración con agua
• Frio
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Eliminación de CO2
Tecnologías diferentes
Adsorción Absorción Permeación Criogénico
Adsorción porpresión (PSA)
Depuración de agua de presión
Depuraciónfisica
Depuración química
Alta presión
Baja presion
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Adsorción por presión (PSA)
H2O
Biometano
CompressorCondensación
Enfriador
Bomba de vacuum
CO2Biogás crudo
Desulfurización
Condensación
Adsorción 1-4
Tecnología de Pressure Swing Absorption (PSA)
Etapas de tecnología de PSA:• Condensación preliminar• Compresión y calefacción• Condensación• enfriador• Eliminación de H2S con carbon activado
• Adsorción cin carbon activado, 4 etapas ciclica• Metano en el cabeza de columnas,• CO2 con bomba de vacio al pied de columnas• Reciclaje de gasese residual y mezcla con
biogás crudo
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PSA
Adsorción con carbon activado, 4 etapas ciclicas:
1. adsorción de CO2, presión de 7 bar
2. reducción de presión y desorción de CO2
3. Vacio (0,05 bar) y desorción de gases residual (metano tambien)
4. compresión a 7 bar
Adsorción Desorción Evacuación Compresión
107
3,51
0,05
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PSA
Datos principales:
Presión: -0,05 – 16 bar
Consumo eléctricidad: 0,25 kWh/m³ *)
Consumo calor: no
Consumo agua: no
Perdidas de metano: 1 – 10%
CH4 en biometano: > 96%
Experiencias / Referencias:tecnología bien probada
Productores:Carbotech Engeneering GmbH, DCirmac International bv, NL Flotech, SVerdesis AG, CHQuestAir Technologies Inc. CDN
kWh/m³ Biogás crudo, 7 bar biometano
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Eliminación de CO2
Tecnologías diferentes
Adsorción Absorción Permeación Criogénico
Adsorción porpresión (PSA)
Depuración de agua de presión
Depuraciónfisica
Depuración química
Alta presión
Baja presion
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Depuración de agua de presión
Biometano
Secador
Bomba Filtro
Gas de escape (CO2)
Biogás crudo Compressor
Condensación
Soplador
Filtro biologico
EnfriadorSeparador
Tanque flash
Columna de absorción
(depuración)
Etapas de la tecnología
• Condensador• Compresión • Columna de Absorción• Salida de metano en el
cabeza de columnas y secado final
• Contracorriente de liquido (agua)
• Tanque Flash• Desorción en una
culumna• Restos de gas de vuelta
a biogás crudo• Salida de CO2 con
biofiltro• Friación y filtración de
aguarecirculación en la columna de absorción
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Depuración de agua de presión
0
20
40
60
80
100
120
6 7 7 8 8 9 9 10 10p [bar]
caud
al a
gua
[ m³/h
]
10 °C 30 °C
solubilidad de CO2 en agua dependiente de presión y temperatura
demanda de agua dependiente de presión y temperatura
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Depuración de agua de presión
Datos principales:
Presión: 4-7 bar (16 bar)
Consumo eléctricidad: 0,25 kWh/m³ *)
Consumo calor: no
Consumo agua: si (frio)
Consumo quimicos: noi
Perdidas de metano: 1 – 2%
CH4 en biometano: > 97%
Experiencias / Referencias:tecnología bien probado
Productores:Malmberg Water, SFlotech, S, NZ, E
kWh/m³ Biogás crudo, 7 bar biometano
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Eliminación de CO2
Tecnologías diferentes
Adsorción Absorción Permeación Criogénico
Adsorción porpresión (PSA)
Depuración de agua de presión
Depuraciónfisica
Depuración química
Alta presión
Baja presion
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Depuración fisica
Biogas crudo
Biometano (CH4)Gas de escape(CO2 y otros)
Desorción
Aire
Etapas de la tecnología:
• Comprimir
• Enfriar de 10 – 20 °C
• Absorción de CO2, H2 y H2O en una liquido
• Effluente de biometano en la cabeza de la columna
• Desorción de liquido en lacolumna, regeneracióncompleta (en contraio de agua)
• Tratamiento de gas de escape (p.e. carbon activado)
• Quema final por minimizar las perdidas de metano
Absorción
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Depuración fisica
Datos principales:
Presión: 4 – 7 bar
Consumo eléctricidad: 0,24-0,33 kWh/m³ *)
Consumo calor: si, (5 – 80 °C)
Consumo agua: si
Consumo quimicos: si
Perdidas de metano: 2 – 5%
CH4 en biometano: > 97%
Experiencias / Referencias:poco
Productores:Haase Energietechnik GmbH, D
kWh/m³ Biogás crudo, 7 bar biometano
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Eliminación de CO2
Tecnologías diferentes
Adsorción Absorción Permeación Criogénico
Adsorción porpresión (PSA)
Depuración de agua de presión
Depuraciónfisica
Depuración química
Alta presión
Baja presion
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Depuración química (Amin)
Biogascrudo
Desulfuri-zación Secador
Absorción
CompresorEnfriadorSecador
Biometano
Bomba
Bomba
Enfriador
Cambiadorde calor
Cambiadorde calor
Calenta-miento
Enfriador
CO2
Separador
Separador
Separador
Etapas de la tecnología:
• Desulfurización con sistema de carbonactivado, azufre en vuelta al campo
• Secado y condensación
• Depuración / Absorción de CO2 en unasolución de amina40°C, lecho fijo en la columna
• Salida de biometano en la cabeza de la columna, perdidas de metano < 0,1%
• Friación y secado de biometano
• Regeneración de solución saturada en diversas etapas para calentamiento (160°C)
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Depuración química (Amina)
Datos principales:
Presión: sin presión
Consumo eléctricidad: 0,15 kWh/m³ *)
Consumo calor: si (160 °C)
Consumo agua: no
Consumo quimicos: si
Perdidas de metano: < 0,1 %
CH4 en biometano: > 99%
Experiencias / Referencias:tecnología probado
Productores:CIRMAC International bv, NLMT-Biomethan GmbH, DDGE Wittenberg, D
kWh/m³ Biogás crudo, 7 bar biometano
31BioRef 09
Eliminación de CO2
Tecnologías diferentes
Adsorción Absorción Permeación Criogénico
Adsorción porpresión (PSA)
Depuración de agua de presión
Depuraciónfisica
Depuración química
Alta presión
Baja presion
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Membrana
Compresor
Enfriador
Calentamiento
Membrana
Desulfuri-zación
Biogascrudo
H2O, NH3
CO2
Biometano
Etapas de tecnología de membrana:
• Desulfurización preliminar
• Compresión
• Enfriador y eliminación de H2O
• Secador
• Desulfurización final
• Eliminación de H2O y/o NH3
• Filtro
• Productos CO2 y Biometano
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Membrana
Datos principales: (piloto)
Presión: 25 - 40 bar
Consumo eléctricidad: 0,50 kWh/m³ *)
Consumo calor: no
Consumo agua: no
Perdidas de metano: 2 – 5%
CH4 en biometano: > 90%
Experiencias / Referencias:estadio piloto
Productores:CIRMAC, NLProyectos pilotos, A
kWh/m³ Biogás crudo, 7 bar biometano
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Eliminación de CO2
Tecnologías diferentes
Adsorción Absorción Permeación Criogénico
Adsorción porpresión (PSA)
Depuración de agua de presión
Depuraciónfisica
Depuración química
Alta presión
Baja presion
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Separación criogénica
Biometano
CO2
CO2
Biogás crudo
Cambia-dor 1
Cambia-dor 2
Cambia-dor 3
Cambia-dor 4
Cambia-dor 5
Cambia-dor 6
Filtro 1
Filtro 2
Separador
Conden-sación
Conden-sación
Com-presión
Conden-sación
Etapas de tecnología:
Desulfutización, secado
compresión hasta 65 - 80 bar, connsación, enfriamiento, purificación, recalentamiento
Separación CH4-CO2
Metano –151 °C 2 bar; CO2 12 °C 26 bar
Almacenimiento de CH4:
• CH4 como LPG (relación volumen gas liquido:gas gaseosos = 1:580
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Separación criogénica
Ejemplo gts bv: 1: secado, separación de H2S y siloxano; 2:compresión hasta 25 bar; 3:friación hasta –25 °C; 4: filtración de Siloxanos y H2S; 5:liquidifación de CO2 en dos etapas, friación hasta 50-59 °C
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Separación criogénica
Datos principales:
Presión: 25-80 bar
Consumo eléctricidad: 0,18 – 0,25kWh/m³
Consumo calor: no
Consumo agua: si
Perdidas de metano: < 0,5%
CH4 en biometano: > 99%
Experiencias / Referencias:fase de plantas pilotos
Productores:GTS bv, NLR&D proyectos
kWh/m³ Biogás crudo, 7 bar biometano
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Comparación
Perdidas de metano dependiente de productor y la situación local
42> 25> 20ReferenciasSiSiNoNoQuimicos
160 °C5 – 80°CNoNoDemanda calor
0,150,24 – 0,33< 0,250,25Consumo de electricidad
Sin presión4 – 7 bar4 – 7 bar4 – 7 barPresión de proceso
> 99%> 96%> 97%> 96%Qualidad de producto< 0,1%2 – 4%1 – 2%1 – 10%Perdidas de metano50 – 100%50 – 100%50 – 100%± 10%Regulación de proceso
SINoNoSiPre-purificación(H2S, H2O)
Depuraciónquímico
Depuración fisico
Depuración de agua de presión
Adsorciónporpresión(PSA)
Sistema
Criterio
Fuente: UMSICHT, 2008
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Costos especificos
Minden
Jameln
Fangmeier
Zeven
Wüsthof
Costos de purificación y eliminación de CO2 en ralación de caudal
Cos
tos
espe
cific
o [C
t/kW
h H
i]
Caudal [Nm³/h]
Costos calor 4,8 – 3,9 Ct/kWhth
Fuente: UMSICHT, 2008
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Adapción valor
caloríficoSecado Medición
Odori-zación
Medición
analisis
PCG
Biometanodespues eliminación de CO2
Biometanoa la red
LPG
Tratamiento final
Etapas de tratamiento final:
• medición y analisis• Calibración, adición de LPG (opcional) • Compresión (dos compresores redundantes) • Secador • Medición con Cromatógrafo • Odorización
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Medición
Formula ìndice Wobbe Ws
Formula ìndice Wobbe Ws
Valores mas importantes de medición:
• Caudal
• Valor calorifico
• Densidad
• Índice Wobbe
• Valor metano
• Substancias adicionales
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Compresión
Fuente: UMSICHT, 2008
Costos depienden de presión final
100 mbar >> 10 bar 200 m³/h ca. 30.000 Euro
100 mbar >> 70 bar 200 m³/h ca. 75.000 Euro
Costos de operación
70 bar: ca. 3,4 €Ct/m³ energía, 1,4 €Ct mantanimiento
6 bar: ca. 2,0 €Ct/m³ energía, 0,9 €Ct mantanimiento
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Odorización
Fuente: UMSICHT, 2008
Costos de inversión:
10.000 Euro (100m³ /h)
30.000 Euro (1000 m³/h).
Si injecta biometano en un red de gas natural, la odorización estaobligatorio
Odorantes:Mercaptanes o THT (Tetrahydrothiophen C4H8S)
Odorización Bypass-(fuente: www.heat.at
Odorización - Injeción(fuente: www.heat.at
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Economía
Costos totales – un ejemplo
[Ct/kWh Hi]
[Ct/kWh Hi][Ct/kWh Hi][Ct/kWh Hi]
[Ct/kWh Hi]
Ejemplo de una calculación: planta de biogás por plantas energéticas, sistema PSA, costos por substratos 35 Euro/t, Cogeneración 500 kWel, 5.250 h/a; electricidad 150 Euro/MWh
7,737,988,609,59Costos total
0,860,860,860,86Costos cogeneración0,130,120,150,17Conexión a la red1,241,311,642,26Eliminación de CO2
5,685,866,146,49Producción de biogás1.5001.000500250Biogás crudo [m³/h]
Fuente: UMSICHT, 2008
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Realización
Desarollo de un projecto
Analisis• disponibilidad e biogás• qualidad de biogás• caudal de biogás• qualidad de gas natural• presión del red• distancia de red• disponibilidad de calor y/o
electricidad
Dimensionamiento• pre-tratamiento • tecnología de eliminación
de CO2
• post-tratamiento• costos de inversión• costos de operación• analisis de economía• contratos
Decisión: SI / NO
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Ejemplo 1
Jameln - primera estación de biometano como carburante (CNG) en Alemania (Fuente Haase)
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Ejemplo 6
Bruck a.d. Leitha, Austria: Tecnología de membrana, planta piloto(fuente: tu Wien, www.membran.at)